电烤箱温度控制计算机控制系统设计.docx

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电烤箱温度控制计算机控制系统设计

计算机控制系统

课程设计说明书

电烤箱温度控制系统设计

DESIGNOFELECTRICOVENTEMPERATURECONTROLSYSTEM

学生姓名

周泽民

学院名称

信电工程学院

学号

班级

12电气1

专业名称

电气工程及其自动化

指导教师

曹言敬

2015年

7月

10日

摘要

本次温度控制系统设计整体而言完全可以实现对电烤箱温度闭环恒定控制。

但是不当之处在所难免。

当热电阻检测出当前电烤箱所处温度时，不能和预置温度一起以数字形式很直观的对比显示出来。

及操作者无法同时看到电烤箱当前所处温度和预置温度。

鉴于此种情况，应再外接一个数码显示器以软件程序来实现，将电烤箱当前所处温度和预置温度同时显示出来；在实际使用过程中，由于电烤箱加热时有一定得温度缓冲，即当电烤箱断电时，加热并不是立即停止，而是过一段时间后温度才慢慢停下来以致开始下降。

这样就使得我们控制很不准确，会出现严重超温或者低温现象。

鉴于此种情况，我们应在电烤箱温度接近我们要求的温度时，由连续加热或连续降温改为断续加热或断续降温。

关键词单片机；温度；电烤箱；控制

1绪论1

1.1技术指标1

1.2控制方案1

1.2.1控制系统的建模1

1.2.2PLC系统2

1.2.3单片机系统3

1.2.4选择最优方案3

2硬件部分设计5

2.1C51单片机简介5

2.1.1中央处理器CPU5

2.1.3AT89C51单片机引脚功能6

2.1.4AT89C51单片机时钟电路及时序8

2.1.5AT89C51单片机复位电路9

2.2温度检测电路设计9

2.2.1温度传感器9

2.2.2变送器10

2.2.3A/D转换10

2.3温度控制电路设计12

2.4键盘电路设计14

2.5数码管显示电路设计15

3控制程序设计18

3.1工作流程18

3.2功能模块18

3.3资源分配模块18

3.4软件功能设计18

3.4.1键盘管理18

3.4.2显示管理19

3.4.3温度检测模块20

3.4.4温度控制模块21

3.4.6主程序模块22

3.5基于SIMULINK的PID仿真22

结论25

致谢26

参考文献27

附录28

附录128

附录229

1绪论

1.1技术指标

温度控制是工业生产过程中经常遇到的控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

根据温度变化快慢的特点，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。

温度控制采用PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。

该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。

电烤箱的具体指标如下：

（1）电烤箱为一封闭长方体结构，

（2）烤箱内尺寸：

0.8m×0.6m×0.4m。

（3）加热器件为一1kw（220v）电热丝。

（4）从室温开始升温到100℃系统调节时间ts≤5分钟，超调量≤10%。

（5）控制温度范围为50～200℃连续可调。

（6）显示实时温度，显示精确到1℃。

1.2控制方案

1.2.1控制系统的建模

本文的被控对象为某公司生产的型号为0.8m×0.6m×0.4m的电烤箱，其工作频率为50HZ，总功率为1kW，工作范围为50～200℃。

设计目的是要对它的温度进行控制，达到调节时间短、超调量≤10%的技术要求。

在工业生产过程中，控制对象各种各样。

理论分析和实验结果表明：

电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述。

然而，对于二阶不振荡系统，通过参数辨识可以降为一阶模型。

因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型。

所以电烤箱模型的传递函数为：

式（1.1）

式中K——对象的静态增益；

T——对象的时间常数；

τ——对象的纯滞后时间。

目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号，测取过程对象的阶跃响应，然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。

具体用科恩-库恩（Cohn-Coon）公式确定近似传递函数。

给定输入阶跃信号200℃，用温度计测量电烤箱的温度，每半分钟采一次点，实验数据如下表2-1：

表2-1烤箱模型的温度数据

时间

t（m）

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

温度

T（℃）

20

31

52

78

104

126

148

168

182

198

200

Cohn-Coon公式如下：

式（1.2）

式中△M——系统阶跃输入；

△C——系统的输出响应；

t0.28——对象飞升曲线为0.28△C时的时间（分）；

t0.632——对象飞升曲线为0.632△C时的时间（分）。

从而求得K=0.92,T=144S,τ=30S

所以电烤箱模型为：

式（1.3）

1.2.2PLC系统

（1）PLC的定义

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。

他采用了可编程序的储存器，用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术操作的面向用户的指令，并通过数字化或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。

（2）PLC的特点

现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。

1.可靠性高，抗干扰能力强：

PLC用软件取代了继电器控制系统中打量的仲坚继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因为触点接触不良造成的故障。

2.硬件配套齐全，使用方便，适应性强：

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置。

3.编程方法简单易学：

梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

4.系统的设计，安装，调试工作量少：

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作大大减少。

PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计方法来设计。

这种设计方法很有规律，容易掌握。

可以在实验室模拟调试PLC的程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少得多。

5.功能强，性能价格比高：

一台小型德尔PLC内有成千上百个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。

与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性价比。

PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

6.维修工作量小，方便维修:

PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

1.2.3单片机系统

（1）单片机的定义

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器、RAM、只读存储器、ROM多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算系统。

（2）单片机的特点

1.有优异的性价比。

2.集成度高，体积小，可靠性好。

3.控制能力强。

4.低功耗，低电压，便于生产便携式产品。

5.易拓展。

目前，应用广泛的主流机型是80C51系列8位单片机。

该机型具有性能价格比高；芯片功能能够适用；有众多芯片制造厂商加盟，可广泛选择等优点，这次我们采用美国intel公司生产的AT89C51单片机，其中包括CPU、存储器、I/O接口电路及时钟电路等。

通过比较单片机和PLC的性价比，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。

温度控制采用PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。

该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。

产品的工艺不同，控制温度的精度也不同，因而采用的控制算法也不同。

就温度控制系统的动态特性来讲，基本上都是具有纯滞后的一阶环节，当系统精度及温控的线性性能要求较高时，多采用PID算法来实现温度控制。

本系统是一个典型的闭环控制系统。

从技术指标可以看出，系统对控制的精度要求不高，对升降温过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，即当烘干箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降低到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。

2硬件部分设计

系统的硬件部分包括单片机的电路设计、传感器设计、放大电路设计、键盘以及显示电路设计五个部分。

图2-1电烤箱温度控制结构

2.1C51单片机简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

2.1.1中央处理器CPU

中央处理器CPU是单片机的核心。

是计算机的控制指挥的中心。

同一般微机的CPU类似。

AT89C51单片机内部CPU包括控制器和运算器。

2.1.2运算器

AT89C51运算器电路以算术逻辑单元ALU为核心。

有累加器ACC、寄存器B、暂存器1、暂存器2、程序状态寄存器PSW和布尔处理机共同组成。

它主要完成数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。

运算结果的状态由程序寄存器PSW保存。

A.算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B

算术逻辑单元ALU不但能完成8位二进制的加、减、乘、除等算数的运算。

而且还能对8位变量进行逻辑“与”“或”“异或”循环位移等逻辑的运算。

累加器ACC（简称累加器A）为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁寄存器。

专门存放操作数或运算结果。

B．程序状态寄存器

程序状态寄存器PSW是一个8位的状态寄存器。

用于存放标志的寄存器。

用于存放指令执行后的状态，以供程序查询和判别。

PSW各位的状态通常是在指令执行的过程中自动设置。

但可以由用户根据需要指令加以改变。

状态寄存器共有进位标志位CY、辅助进位标志位（或称半进位）AC、用户自定义标志位F0、工作寄存器组选择位RS1、RS0、溢出标志位OV、奇偶标志位P.

C.控制器

控制部件是单片机的神经中枢。

它包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器和定时器控制电路。

它先以主振频率为基准发出CPU的时序对指令进行译码，然后发出各种控制信号。

完成一系列定时控制微操作。

用来协调单片机各部分的正常工作[1]。

2.1.3AT89C51单片机引脚功能

AT89C51系列单片机的封装形式有两种：

一种是双列直插方式的封装；另一种是方形的封装。

AT89C51单片机40个引脚及总线结构图如下所示。

其CMOS工艺制造的低地功耗芯片也有采用方形的封装。

但为44个引脚，其中4个引脚是不使用的。

由于at89C51单片机是高性能的单片机。

同时受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能。

a.主电源引脚

主电源引脚两根：

VCC接+5V电源正端；VSS接+5V电源地端。

b.外接晶体引脚两根

XTAL1:

接外部石英体和微调电源一端。

XTAL2:

接外部晶体和微调电容另一端。

其中，对用外部时钟时，对于HMOS单片机,XTAL1脚接地，XTAL2脚作为外部振荡信号输入端。

对CHMOS单片机XTAL1脚作为外部振荡信号的输入端，XTAL2脚空不接。

1）引脚功能

I\O引脚共32根。

A．PO口：

P0.0-P0.7统称为PO口是8位双向I/O口线。

P0口即可作为地址/数据总线使用，又可作为通用的I/O口线。

在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。

在接有片外存储器或扩展I/O时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据的总线。

B．P1口：

P1.0-P1.7统称为P1口。

是8位准双向I/O口线。

P1口作为通用I/O口使用。

C．P2口：

P2.0-P2.7统称为P2口。

是8位准双向I/O口线。

P2口即可作为通用的I/O口使用。

也可作为片外存储器的高8位地址线。

与P0口组成16位片外存储器单元地址。

P3口的第二功能如下表所示：

P3口的第二功能

P3.0RXD串行口输入

P3.1TXD串行口输出

P3.2

外部中断0输入

P3.3

外部中断1输入

P3.4T0定时/计数器0计数输入

P3.5T1定时/计数器1输入

P3.6

片外RAM写选通信号（输出）

P3.7

片外RAM读选通信号（输出）

2）控制线

控制线共四根。

A：

ALE/PROG地址锁存有效信号输出率。

B：

PSEN片外程序存储器读选通信号输出端低电平有效。

C：

RST/VPD复位信号备用电源输入信号。

D：

EA/VPP片外程序存储器选用端。

3）AT89C51单片机的存储器结构

AT89C51单片机的存储器物理结构上分为片内数据存储器、片内程序存储器、片外数据存储器和片外程序存储器等4个存储空间。

4）AT89C51单片机的并行I/O端口

AT89C51单片机有4个8位并行I/O端口（P0、P1、P2、P3）每个端口都各有8条I/O口线，每条I/O口线都独立地用作输入输出，在具有片外扩展存储器的系统中，P2口送出高8位地址，P0口分时送出低8位地址和8位数据。

各端口的功能不同，结构上也有差异，但是每个端口的8位结构是完全相同的。

a.P0口，P0口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用口，也可作为通用I/O接口。

b.P1口，P1口为准双向口，它在结构上与P0口的区别在与输出驱动部分。

其输出驱动部分由场效应管V1与内部上拉电阻组成，当某位输出高电平时，可以提供上拉电流负载，不必像P0口上那样需要外接上拉电阻。

c.P2口，P2口也为准双向口。

其具有通用I/O接口或高8位地址总线输出两种功能，所以其输出驱动结构比P1口输出驱动结构多了一个输出模拟转换开关MUX和反相器3。

d.P3口P3口的输出驱动由与非门3和V1组成，比P0、P1、P2口结构多了一个缓冲器4。

P3口除了可为通用准双向I/O接口外，每一根线还具有第二功能[2]。

图2-2单片机引脚图

2.1.4AT89C51单片机时钟电路及时序

图2-3AT89C51单片机时钟电路图

⑴时钟周期。

80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。

⑵机器周期。

80C51单片机工作的基本定时单位，简称机周。

机器周期是时钟周期的12倍。

当时钟频率为12MHz时，机器周期为1S；

当时钟频率为6MHz时，机器周期为2S[3]。

2.1.5AT89C51单片机复位电路

图2-4AT89C51单片机复位电路图

复位是通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作

复位条件：

RST引脚保持2个机器周期以上的高电平。

2.2温度检测电路设计

这部分包括温度传感器，变送器和A/D转换三部分。

2.2.1温度传感器

定义：

利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。

这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

种类：

目前，国际电工委员会（IEC）推荐了8种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。

根据设计要求，温度控制范围为控制温度范围为50～200℃连续可调。

因此我们需要一种，电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。

电阻率高，热容量小，反应速度快。

在测温范围内化学物理特性稳定的热电偶，通过查阅资料，品牌:

EL型号:

NTC的热敏电阻符合我们的要求：

（1）该产品为电烤箱专用温度传感器

（2）具有反应速度快、性能稳定、安装方便等特点。

　　（3）芯片类型：

NTC热敏电阻。

　　（4）电阻值范围：

R＝1K～2000KΩ。

　　（5）B值范围：

2800～5000K。

（通常使用参数：

R25℃＝50K±1％B25／50＝3950±1％；

（6）R25℃＝100K±1％、B25／50＝3950±1％）。

　　（7）工作温度范围：

-50～＋300℃。

　（8）热时间常数：

＜10秒。

　　（9）绝缘强度：

DC500V、100MΩ。

　　（10）耐电压：

AC1500V、5mA、5S。

2.2.2变送器

传感器是能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。

当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。

变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，当温度在-50℃～+300℃时变送器输出0~3.5V左右的电压。

2.2.3A/D转换

A/D转换的基本概念：

A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为N位数字量。

模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移和声音等非电信号。

但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。

A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位、14位和16位等。

式（2.1）

式中

——表示AD转换器的位数；

——表示模拟量的最大值；

——表示模拟量的最小值；

——表示转换的精度。

根据设计所给定的要求，模拟量的范围是50～200℃，转换精度至少为1℃，将数据带入式（3.1），可以计算得出

的值近似为7.24，所以可以选择8位的AD转换器。

由于常用的8位分辨率的AD转换芯片有ADC0809、ADC0832等。

ADC0809是并行ADC，速度要比串行ADC0832快得多，而且市面上很容易买到ADC0809芯片，所以该系统采用ADC0809芯片作为模数转换的芯片。

1、A/D转换器的主要性能指标：

⑴转换精度。

转换精度通常用分辨率和量化误差来描述。

①分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。

N为A/D转换的位数，N越大，分辨率越高，习惯上分辨率常以A/D转换位数N表示。

②量化误差。

量化误差是指零点和满度校准后，在整个转换范围内的最大误差。

⑵转换时间。

指A/D转换器完成一次A/D转换所需时间。

转换时间越短，适应输入信号快速变化能力越强。

2、A/D转换器分类

按转换原理形式可分为逐次逼近式、双积分式和V/F变换式；

按信号传输形式可分为并行A/D和串行A/D。

图2-5ADC0809图

图2-6ADC0809与51单片机连接图

ADC0809引脚功能和典型连接电路

⑴IN0～IN7：

8路模拟信号输入端。

⑵C、B、A：

8路模拟信号转换选择端。

与低8位地址中A0～A2连接。

由A0～A2地址000～111选择IN0～IN7八路A/D通道。

⑶CLK：

外部时钟输入端。

时钟频率高，A/D转换速度快。

允许范围为10～1280KHz。

通常由80C51ALE端直接或分频后与0809CLK端相连接。

⑷D0～D7：

数字量输出端。

⑸OE：

A/D转换结果输出允许控制端。

OE=1，允许将A/D转换结果从D0～D7端输出。

通常由80C51的端与0809片选端（例如P2.0）通过或非门与0809OE端相连接。

⑹ALE：

地址锁存允许信号输入端。

0809ALE信号有效时将当前转换的通道地址锁存。

⑺START：

启动A/D转换信号输入端。

当START端输入一个正脉冲时，立即启动0809进行A/D转换。

START端与ALE端连在一起，由80C51WR与0809片选端（例如P2.0）通过或非门相连。

⑻EOC：

A/D转换结束信号输出端，高电平有效。

⑼UREF（+）、UREF（-）：

正负基准电压输入端。

⑽Vcc：

正电源电压（+5V）。

GND：

接地端。

A/D转换器件的选择主要取决于温度的控制精度，本系统要求温度控制误差10%,采用8位A/D转换器，其最大量化误差为=，完全能满足精度要求。

这里采用ADC0809作为A/D转换器。

变送器输出为0~5V，则A/D转换对应的数字量为00H～FFH,既0～255,则转换结果乘以（70/51-50）为温度值[4]。

2.3温度控制电路设计

可控硅，是可控硅整流元件的简称：

是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。

具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。

该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。

图2-7可控硅等效图解图

可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件,共有三个PN结,分析原理时,可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成当在阳极和阴极之间加上一个正向电压Ea，又在控制极G和阴极C之间（相当BG1的基一射间）输入一个正的触发信号，BG1将产生基极电流Ib1，经放大，BG1将有一个放大了β1倍的集电极电流IC1。

因为BG1集电极与BG2基极相连，IC1又是BG2的基极电流Ib2。

BG2又把比Ib2（Ib1）放大了β2的集电极电流IC2送回BG1的基极放大。

如此循环放大，直到BG1、BG2完全导通。

实际这一过程是“一触即发”的过程，对可控硅来说，触发信号加入控制极，可控硅立即导通。

导通的时间主要决定于可控硅的性能。

可控硅一经触发导通后，由于循环反馈的原因，流入BG1基极的电流已不只是初始的Ib1，而是经过BG1、BG2放大后的电流（β1*β2*Ib1）这一电流远大于Ib1，足以保持BG1的持续导通。

此时触发信号即使消失，可控硅仍保持导通状态只有断开电源Ea或降低Ea，使BG1、BG2中的集电极电流小于维持导通的最小值时，可控硅方可关断。

当然，如果Ea极性反接，BG1、BG2由于受到反向电压作用将处于截止状态。

这时，即使输入触发信号，可控硅也不能工作。

反过来，Ea接成正向，而触动发信号是负的，可控硅也不能导通。

另外，如果不加触发信号，而正向阳极电压大到超过一定值时，可控硅也会导通，但已属于非正常工作情况了。

双向可控硅又称为双向晶闸管：

普通晶闸管（VS）实质上属于直流控制器件。

要控制交流负载，必须将两只晶闸管反极性并联，让每只SCR控制一个半波，为此需两套独立的触发电路，使用不够方便。

双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。

由于电阻丝是与220V市电直接接通的，因此选择采飞利浦公司的BT138-600E双向可控硅作为通断元件。

该型号为四象限/非绝缘型/双向可控硅，

电流=12.0（A）、电压=600（V）、结温=125（℃）

浪涌电流ITSM=65A（50Hz）/71A（60Hz）

正向耐压VDRM＞600V

反向耐压VRRM＞600V

触发电流IGT（I/II/III/IV）＜10/10/10/25mA

通态压降VTM＜1.65V（ITM=10.0A）主要用于变频电路，调光、调温、